[发明专利]一种基于生物质的碳纤维负载氮掺杂碳纳米复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及基于生物质的碳纤维负载氮掺杂碳纳米复合材料的制备方法及其应用，属于碳材料技术领域。本发明的制备方法包括如下步骤：配置细菌纤维素分散液和盐酸多巴胺溶液；将盐酸多巴胺溶液加入到细菌纤维素分散液中，搅拌后进行离心，离心后保留固体物质，将固体物质进行洗涤、干燥、煅烧，即可得到基于生物质的碳纤维负载氮掺杂碳纳米复合材料，可应用于氧还原电催化领域包括燃料电池、微生物电池、金属空气电池，具有高效、稳定的电催化氧还原性能。

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，涉及一种基于生物质的碳纤维负载氮掺杂碳纳米复合材料的制备方法及其在电催化领域的应用。

背景技术

电催化氧还原(Oxygen Reduction Reaction，ORR)是诸多能量转换和存储器件的核心反应，比如燃料电池、微生物电池以及金属空气电池。然而，ORR过程复杂，反应动力学非常缓慢，往往需要很高的过电势，因此必须借助高效催化剂来促使反应顺利进行。目前，常用的氧还原催化剂为贵金属材料，主要以Pt系催化剂为主，市场上已有商业化产品。然而，Pt基催化剂资源稀缺、价格昂贵，且还有稳定性较差、容易发生甲醇和CO中毒等缺点，阻碍了相关能源器件的商业化发展。因此，研发低成本、高活性、高稳定性的氧还原催化剂来代替Pt基催化剂显得尤为重要。

目前研究较多的非贵金属催化剂主要包含过渡金属大环络合物、过渡金属氧化物和非金属原子掺杂碳材料。生物质衍生碳材料，因为具有价格低、可再生、孔隙结构丰富、催化活性高、稳定性好等特点，成为近年来代铂催化剂方向的研究热点。在诸多掺杂元素中，氮原子会直接影响相邻碳原子的自旋密度和电子云分布，诱导其产生“活性中心”，能够显著提高碳材料的电催化氧还原活性。氮掺杂碳材料进而成为最有潜力的代铂催化剂之一。

尽管研究广泛，氮掺杂碳材料领域依然存在两个显著问题：①制备方法不够经济环保。为了增加氮掺杂碳材料的比表面积、暴露更多的活性位点，制备过程中往往需要引入软膜板、硬模板及活性剂等，不仅工艺复杂、成本较高，还有较高的环境污染风险。②体积活性密度低。现有技术中常采用刻蚀法来增加氮掺杂碳材料的比表面积，但普通刻蚀法亦会导致较低的残碳量(产量) 以及极低的材料密度。尤其是材料密度小意味着催化活性位点的体积密度低，那么相对比贵金属铂催化剂，其电极扩散层厚度必将较大，这对于碳基代铂催化剂的研发，是个难以克服的巨大挑战。

因此，基于以上讨论，如能用低沉本、简单快捷、环境友好的方法设计合理的传质孔道和高密度活性位点的碳基氧还原电催化剂，是推进碳基代铂催化剂研发的关键，对于燃料电池和金属空气电池以及其他氧还原相关领域的发展具有重要价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种基于生物质的碳纤维负载氮掺杂碳纳米复合材料的制备方法，其作为氧还原电催化剂具有高效、稳定的电催化氧还原性能。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种基于生物质的碳纤维负载氮掺杂碳纳米复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1、配置细菌纤维素分散液和盐酸多巴胺溶液；

S2、将盐酸多巴胺溶液加入到细菌纤维素分散液中，搅拌后进行离心，离心后保留固体物质，将固体物质进行洗涤、干燥、煅烧，即可得到基于生物质的碳纤维负载氮掺杂碳纳米复合材料。

作为优选，所述步骤S1中所述细菌纤维素分散液的配制方法为将细菌纤维素原液加入到Tris缓冲液中，超声分散 1.5h～2.5h。

进一步优选，所述细菌纤维素原液与Tris缓冲液的质量体积比为100:(150～250)，所述细菌纤维素原液的固含量为 0.7％～1.3％，所述Tris缓冲液的浓度为0.03M～0.07M，pH为 7.5～9.5。

作为优选，所述步骤S1中所述盐酸多巴胺溶液的浓度为 10mg/mL～30mg/mL。